Le 20 novembre 2023, le National Institute for Science and Technology (NIST) a annoncé le lancement du National Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP). Ce programme se propose de financer à hauteur de 3 milliards de dollars la recherche et développement (R&D) dans les boîtiers de circuits intégrés de nouvelle génération (“Advanced Packaging”).

Depuis l’adoption en août 2022 [1] du CHIPS and Science Act, le Department of Commerce (DoC) des États-Unis doit gérer la distribution de près de 50 milliards de dollars de subventions publiques visant à rapatrier la production et à soutenir la recherche et le développement (R&D) dans le domaine des semi-conducteurs avec des enveloppes de respectivement 39 milliards et 11 milliards de dollars [2]. Ce texte s’inscrit dans un contexte de forte rivalité avec la Chine alors que 73 % de la production de semi-conducteurs est concentrée en Asie du Nord-est (Chine, Taïwan, Corée du Sud et Japon) [4]. Pour les Etats-Unis reprendre la main sur le production de semi-conducteurs est un enjeu de sécurité nationale [3] et le Président Biden se réjouit que depuis son entrée en fonction, les entreprises américaines ont annoncé plus de 230 milliards de dollars d’investissement dans les semi-conducteurs et l’électronique.

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Le 20 novembre 2023, la directrice du NIST, Laurie E. Locascio a annoncé à la Morgan State University (Maryland), le financement à hauteur de 3 milliards du Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP) [5]. Il s’agit d’un des quatre programmes chargés de distribuer les 11 milliards pour le R&D dans les semi-conducteurs [2].

Dans le processus de fabrication des circuits intégrés, l’étape du “packaging” consiste à extraire le circuit intégré du wafer de Silicium sur lequel il se trouve lors de sa production puis à les encapsuler dans un boîtier pour le protéger et le connecter aux autres composants électroniques [6]. Historiquement, cette étape avait très peu de valeur ajoutée, car elle était faite à la main. Elle a ainsi été délocalisée dans des pays d’Asie avec un faible coût de la main-d’œuvre afin de réduire les coûts de production. Cette étape est aujourd’hui grandement automatisée, mais elle se fait toujours presque exclusivement en Asie [7] : la Chine réalise 38 % de la mise en boîtier des semi-conducteurs dans le monde et les Etats-Unis seulement 3 % [11]. 

Or, si les Etats-Unis veulent être indépendants dans la production de semi-conducteurs, il faut rapatrier le “packaging” sur le sol américain. Interrogée sur cette difficulté par le congrès américain, Gina Raimondo a affirmé que pour être compétitif, les Etats-Unis faisaient le choix d’investir avant tout dans la R&D dans le “packaging” de demain, à savoir “l’Advanced Packaging” [3].

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En effet, l’industrie des semi-conducteurs a pour devise “scale down and scale out”, c’est-à-dire réduire au maximum la taille des circuits intégrés tout en augmentant le nombre de semi-conducteurs dans les circuits [2]. Pendant des années, les performances des circuits intégrés se sont améliorées en fabriquant des transistors de plus en plus petits. Or, aujourd’hui, développer des techniques de lithographies pour réduire encore la taille des transistors devient de plus en plus coûteux et difficile. Ainsi pour continuer d’améliorer les circuits intégrés à plus faible coût, les méthodes d’“advanced packaging”  font l’objet d’un regain d’intérêt. Apparus depuis les années 2000, les boîtiers de nouvelle génération permettent de gagner de l’espace en regroupant dans un même emballage différents circuits au lieu de tous les emballer séparément puis les connecter entre eux. On peut alors d’une part repenser le boîtier de manière intelligente pour optimiser les performances de l’appareil électronique. D’autre part, il est possible d’empiler les circuits les uns sur les autres, c’est ce qu’on appelle un “chiplet” [10]. Ces méthodes permettent ainsi de gagner de l’espace et maximiser la densité de transistors [8] [9].

La taille des transistors est divisée par deux chaque année, c’est la loi de Moore. Crédit : Semiconductors Engineering.

Le NAPMP constitue donc un choix stratégique des américains pour reconquérir le leadership mondial du “packaging”, en cherchant à devenir leader dans le domaine de l’“advanced packaging” à défaut de pouvoir rivaliser sur le “packaging” classique avec la Chine [11]. Les Etats-Unis font le pari scientifique que la prochaine innovation de rupture dans la production des semi-conducteurs est l’“advanced packaging” [8].

Or, ces boitiers nouvelle génération présentent encore de nombreux défis techniques, que traduisent les priorités d’investissements du NAPMP [2]. Tout d’abord, il faut trouver des matériaux et substrats propices à rassembler les différents circuits intégrés dans le même boîtier, ensuite, il faut dissiper efficacement la chaleur générée par les circuits intégrés tous au même endroit. De plus, il faut s’assurer de la bonne communication entre les circuits intégrés et enfin s’assurer que les circuits sont fiables et donc avoir des processus automatisés pour tester, réparer et opérer les circuits auxquels on ne peut avoir accès indépendamment [9]. Le programme finance aussi de la recherche sur les chiplets [10]. 

La recherche financée a une visée industrielle immédiate, car la NAPMP comprend la création d’une instance chargée de repérer les développements prometteurs financés par le programme et de les traduire dans des applications industrielles avec les entreprises, le Advanced Packaging Piloting Facility (APPF). De plus, le NAPMP mentionne qu’il fera des efforts pour impliquer les travailleurs du secteur dans les découvertes permises par le programme. Les prochaines étapes sont l’annonce début 2024 d’un appel à projet sur le thème matériaux et substrats, et plus d’informations sur la stratégie en matière de boîtier nouvelle génération du NAPMP [2] [12]. 

Cependant, les Etats-Unis ne sont pas les seuls à investir dans l’“advanced packaging”. Xi Jinping a ainsi fait de ce domaine une priorité de son plan “Made In China” en 2015 [11]. Le pays a annoncé en septembre dernier un plan de 40 milliards de dollars pour les semi-conducteurs, ce plan faisant suite à deux précédents plans de respectivement 19 et 27 milliards de dollars [13]. De plus, la Chine compte une grande partie des usines de packaging du monde sur son territoire ce qui lui donne un avantage considérable, et l’entreprise chinoise JCET Group construit actuellement une usine destinée à l’advanced packaging à Jiangyin [11]. Il semble donc bien se dessiner dans ce secteur une course technologique entre la Chine et les Etats-Unis. 

De son côté, l’Union européenne a aussi cité l’”advanced packaging” comme une des priorités en termes de R&D de son European Chips Act qui va résulter dans un investissement de l’ordre de 43 milliards d’euros au total [14]. 

Rédacteur : Arthur Manceau, stagiaire au Service pour le Science et la Technologie à l’Ambassade de France, Washington, D.C., [email protected]. 

Références : 

[1] Article de la Maison Blanche après promulgation de la loi : FACT SHEET: CHIPS and Science Act Will Lower Costs, Create Jobs, Strengthen Supply Chains, and Counter China | The White House 

[2] Document de référence du NIST sur le NAPMP : The Vision for the National Advanced Packaging Manufacturing Program | NIST 

[3] Article de France-Science sur l’audition à la Chambre des représentants de Gina Raimondo : Chips on the Table : la secrétaire au commerce Gina Raimondo devant le congrès et le lien vers la rediffusion de cette audition : Full Committee Hearing – Chips on the Table: A one year review of the CHIPS and Science Act 

[4] Rapport du BCG sur l’importance des semi-conducteurs et une analyse du marché mondial : Government Incentives and US Competitiveness in Semiconductor Manufacturing

[5] Annonce à la Morgan State University (MD) du NAPMP : https://www.nist.gov/news-events/news/2023/11/chips-america-releases-vision-approximately-3-billion-national-advanced et le discours de Laurie E. Locascio, Director, National Institute of Standards and Technology : National Advanced Packaging Manufacturing Program Announcement at Morgan State University | NIST 

[6] Vidéo sur l’étape du Packaging :

 Semiconductor Packaging Explained | ‘All About Semiconductor’ by Samsung Electronics 

[7] Vidéo sur l’histoire du Packaging : A Brief History of Semiconductor Packaging 

[8] Article de McKinsey sur “l’Advanced Packaging” : Advanced chip packaging: How manufacturers can play to win 

[9] Vidéo sur les technologies “d’Advanced Packaging” 2.5D et 3D stack :

Stacking Dies For Performance and Profit

[10] Vidéo sur les “Chiplet” : Why AMD’s Chiplets Work 

[11] Article de Bloomberg sur le course US/Chine dans le domaine de “l’Advanced Packaging” : Tech War: US-China Competition Moves into Advanced Chip Packaging – Bloomberg 

[12] Les questions ouvertes auxquelles le NAPMP cherche à répondre : National Advanced Packaging Manufacturing Program | NIST

[13] Investissement chinois dans les semi-conducteurs : Exclusive: China to launch $40 billion state fund to boost chip industry | Reuters 

[14] Le European Chips Act : The European Chips Act 

[15] Les limites physiques associées à la réduction de la taille des transistors : Scaling Up And Down 

[16] Article de France Science sur les un an du CHIPS and Science Act : Un an après le CHIPS and Science Act.